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KR101479709B1 - Sensor and method for measuring tactile information - Google Patents

Sensor and method for measuring tactile information Download PDF

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KR101479709B1
KR101479709B1 KR20130046800A KR20130046800A KR101479709B1 KR 101479709 B1 KR101479709 B1 KR 101479709B1 KR 20130046800 A KR20130046800 A KR 20130046800A KR 20130046800 A KR20130046800 A KR 20130046800A KR 101479709 B1 KR101479709 B1 KR 101479709B1
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KR
South Korea
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contact
unit
sensor
sensor unit
measuring
Prior art date
Application number
KR20130046800A
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Korean (ko)
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Inventor
문형필
구자춘
정광목
최혁렬
최동민
김성기
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
한국로봇융합연구원
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Publication date
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Priority to KR20130046800A priority Critical patent/KR101479709B1/en
Publication of KR20140128537A publication Critical patent/KR20140128537A/en
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Abstract

본 발명은 접촉정보 측정센서에 관한 것이며, 본 발명의 접촉정보 측정센서는 구면의 표면을 갖는 제1센싱면과 비구면의 표면을 갖는 제2센싱면으로 구분되는 센서부; 물체에 의하여 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 측정부; 상기 센서부의 표면을 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여 상기 측정부로부터 측정되는 정보로부터 물체가 상기 센서부에 접촉하는 위치를 산출하는 위치산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 다양한 형태의 구조물이 결합되는 복합 구조물형 센서에 가해지는 접촉력의 세기 및 접촉점의 위치를 높은 신뢰도로 측정할 수 있는 접촉정보 측정센서가 제공된다.
The present invention relates to a contact information measuring sensor, and a contact information measuring sensor of the present invention includes a sensor portion divided into a first sensing surface having a spherical surface and a second sensing surface having a surface of an aspherical surface; A measuring unit for measuring a force or a torque applied to the sensor unit by an object; And a position calculating unit for calculating a position at which the object contacts the sensor unit from the information measured by the measuring unit, assuming that the surface of the sensor unit is either spherical or aspheric.
Therefore, according to the present invention, a contact information measurement sensor capable of measuring the strength of a contact force and the position of a contact point applied to a complex structure-type sensor to which various structures are coupled can be reliably measured.

Description

접촉정보 측정센서 및 접촉정보 측정방법{SENSOR AND METHOD FOR MEASURING TACTILE INFORMATION}Technical Field [0001] The present invention relates to a contact information measuring sensor and a contact information measuring method,

본 발명은 접촉정보 측정센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물체에 의한 접촉력 및 접촉점을 측정할 수 있는 접촉정보 측정센서에 관한 것이다.The present invention relates to a contact information measuring sensor, and more particularly, to a contact information measuring sensor capable of measuring a contact force and a contact point by an object.

인체와 동일한 메카니즘을 구현하기 위한 연구는 전세계적인 관심사이다. 특히, 사람이 직접적으로 수행하기에는 위험하거나 어려운 장소에서의 업무수행을 대리시키기 위하여 인간형 손을 개발하기 위한 노력이 국내외에서 집중되고 있다.Research to achieve the same mechanism as the human body is a global concern. In particular, efforts to develop humanoid hands have been concentrated at home and abroad, in order to represent the performance of tasks in dangerous or difficult places to be directly performed by people.

그러나, 인간의 손은 다른 신체에 비해 작은 부피에도 불구하고 30여개의 뼈를 포함하고 있어 섬세한 동작이 가능하므로, 이러한 인간의 손과 같은 동작을 로봇으로 구현하기에는 어려움이 있다.However, since human hands include about 30 bones in spite of a small volume compared to other bodies, delicate movements are possible, so that it is difficult to realize such human-like movements as robots.

특히, 이러한 다자유도의 작동 메카니즘 외에도 인간의 손을 완벽하게 모사하기 위해서는, 인간이 느끼는 촉감과 동일한 촉감을 감지할 수 있도록 하는 기술이 필요하다.In particular, in order to fully simulate the human hand in addition to such a multi-degree-of-freedom operating mechanism, a technique is required to be able to sense the same touch as the human touch.

이를 위해서, 로봇손의 손가락 단부에 부착되어 물체에 의한 접촉력을 검출하는 방식의 센서가 개발되고 있다. 이러한 종래 센서는 스트레인 게이지를 이용하여 외면에 가해지는 접촉력 및 토크의 세기를 측정하고 있다. To this end, a sensor has been developed in which a contact force by an object is detected by being attached to the end of a finger of a robot hand. Such conventional sensors measure the contact force and the torque applied to the outer surface using a strain gauge.

아울러, 접촉력 및 토크의 세기정보를 이용하여 물체의 접촉점을 검촐하기 위한 연구도 계속되고 있다. 종래의 연구에 따르면, 접촉력 정보를 이용하여 구 형태, 또는 원통 형상태와 같이 물체와 접촉하는 센서 구조물의 형상이 일정한 경우에만 접촉점의 산출이 가능하다.In addition, studies for checking the contact points of objects using the contact force and torque intensity information are also continuing. According to the conventional research, it is possible to calculate the contact point only when the shape of the sensor structure contacting the object is constant, such as spherical shape or cylindrical shape, using the contact force information.

다만, 다양한 형상이 복합적으로 결합되는 구조물의 경우에 이러한 종래 연구의 접촉점 추정방법을 통하여 산출되는 접촉점 위치는 실제 접촉점과 오차가 크므로 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있다.However, in the case of a structure in which various shapes are combined, there is a problem that reliability of the contact point position calculated through the contact point estimation method of the conventional art is low due to a large error with the actual contact point.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 형태의 구조물이 결합되는 복합 구조물형 센서에 가해지는 접촉력의 세기 및 접촉점의 위치를 높은 신뢰도로 측정할 수 있는 접촉정보 측정센서를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve the problems of the prior art described above, and it is an object of the present invention to provide a contact type sensor which can measure the contact force, Sensor.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 센서부; 접촉되는 물체에 의하여 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 측정부; 상기 센서부의 표면의 형상을 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여 상기 측정부로부터 측정되는 정보로부터 물체가 상기 센서부에 접촉하는 위치를 산출하는 위치산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서에 의해 달성된다.According to the present invention, A measuring unit for measuring a force or a torque applied to the sensor unit by an object to be contacted; And a position calculating section for calculating a position at which the object contacts the sensor section from information measured from the measuring section, assuming that the shape of the surface of the sensor section is either spherical or aspherical. This is accomplished by a measurement sensor.

또한, 상기 센서부의 표면은 구면의 제1센싱면과 비구면의 제2센싱면으로 구분되고, 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되어, 물체의 접촉여부를 판단하는 접촉판단부;를 더 포함하고, 상기 위치산출부는 상기 접촉판단부로부터 물체의 접촉정보를 제공받고, 물체가 상기 제1센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하고, 물체가 상기 제2센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 물체의 위치를 산출할 수 있다.The surface of the sensor unit may be divided into a first sensing surface of a spherical surface and a second sensing surface of an aspheric surface and may be provided on either the first sensing surface or the second sensing surface, And the position calculating section is provided with the contact information of the object from the contact determining section and assumes that the surface of the sensor section is spherical when the object contacts the first sensing surface, The position of the object can be calculated assuming that the surface of the sensor unit is an aspherical surface.

또한, 상기 센서부는 내부에 수용공간이 형성되고, 상기 측정부는 상기 수용공간에 설치되어 상기 센서부의 내면과 연결되는 센싱프레임; 상기 센싱프레임에 연결되어 상기 센싱프레임의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지;를 포함할 수 있다.In addition, the sensor unit may have a receiving space formed therein, the measuring unit may include a sensing frame installed in the receiving space and connected to the inner surface of the sensor unit. And a strain gauge connected to the sensing frame and measuring a strain amount of the sensing frame.

또한, 상기 위치산출부는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제1판단모듈; 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제2판단모듈;을 포함할 수 있다.The position calculating unit may include a first determining module that determines a position of an object contacting the sensor unit on the assumption that the surface of the sensor unit is a spherical surface; And a second determination module for determining a position of an object contacting the sensor unit on the assumption that the surface of the sensor unit is an aspherical surface.

또한, 상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 상호 이격되게 설치되는 복수개의 전극; 이웃하는 전극 사이에 마련되는 유전탄성체; 상기 전극 사이의 캐패시턴스(capacitance) 값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함할 수 있다.The contact determination unit may include a plurality of electrodes spaced apart from each other on either the first sensing surface or the second sensing surface; A dielectric elastomer provided between adjacent electrodes; And a detector for measuring a change in a capacitance value between the electrodes to determine whether the object is in contact with the object.

또한, 상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되는 전극; 상기 전극의 저항값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함할 수 있다.The contact determination unit may include: an electrode disposed on one of the first sensing surface and the second sensing surface; And a detector for measuring a change in resistance value of the electrode and determining whether the object is in contact with the electrode.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 접촉하는 물체로부터 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 단계; 물체가 접촉하는 상기 센서부 표면의 형상에 따라, 상기 센서부를 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여, 상기 물체의 접촉점을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정방법에 의해 달성된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring a force or torque applied to a sensor unit, the method comprising: measuring a force or a torque applied to the sensor unit from an object to be contacted; And calculating a contact point of the object by assuming that the sensor unit is either spherical or aspherical depending on the shape of the surface of the sensor unit with which the object is contacted do.

본 발명에 따르면, 접촉력의 세기정보를 이용하여 접촉점의 위치를 정확하게 검출할 수 있는 접촉정보 측정센서가 제공된다.According to the present invention, there is provided a contact information measuring sensor capable of accurately detecting a position of a contact point using intensity information of a contact force.

또한, 접촉판단부를 통하여 대략적인 접촉점의 위치를 선행하여 판단한 후에, 접촉점의 대략적인 위치에 따라서 점촉점을 산출하는 알고리즘을 선택적으로 적용함으로써 정밀한 접촉위치 판단이 가능하다.Further, after the position of the approximate contact point is determined in advance through the contact determination section, an accurate contact position determination can be performed by selectively applying an algorithm for calculating the point touch point according to the approximate position of the contact point.

또한, 접촉판단부가 캐패시턴스 값의 변화통하여 접촉점의 대략적인 위치를 판단하도록 유전탄성체를 이용함으로써, 유전탄성체의 표면 마찰력을 이용하여 실제 로봇손에 적용시 물건의 파지 능력이 향상될 수 있다.Also, by using the dielectric elastomer to determine the approximate position of the contact point through the change of the capacitance value, the contact determining part can improve the gripping ability of the object when applied to an actual robot hand using the surface friction force of the dielectric elastomer.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서가 장착되는 인간형 로봇손을 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이고,
도 3은 도 1의 접촉정보 측정센서의 분해사시도이고,
도 4는 도 1의 접촉정보 측정센서의 동작을 설명하기 위한 것이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이다.
FIG. 1 illustrates a humanoid robot hand on which a contact information measurement sensor according to a first embodiment of the present invention is mounted,
Fig. 2 is a schematic perspective view of the contact information measuring sensor of Fig. 1,
FIG. 3 is an exploded perspective view of the contact information measuring sensor of FIG. 1,
Fig. 4 is a view for explaining the operation of the contact information measuring sensor of Fig. 1,
5 is a schematic perspective view of a contact information measurement sensor according to a second embodiment of the present invention.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.Prior to the description, components having the same configuration are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment. In other embodiments, configurations different from those of the first embodiment will be described do.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서(100)에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a contact information measurement sensor 100 according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서가 장착되는 인간형 로봇손을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 1의 접촉정보 측정센서의 분해사시도이다.1 is a schematic perspective view of a contact information measuring sensor of FIG. 1, FIG. 3 is a perspective view of a contact information measuring sensor according to a first embodiment of the present invention, Fig. 3 is an exploded perspective view of the information measuring sensor. Fig.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서(100)는 물체에 의하여 가해지는 힘 및 토크 정보를 이용하여, 물체의 접촉점, 즉, 접촉위치를 정밀하게 측정할 수 있는 센서에 관한 것으로서, 센서부(110)와 접촉판단부(120)와 측정부(130)와 위치산출부(140)를 포함한다.1 to 3, the contact information measuring sensor 100 according to the first embodiment of the present invention measures the contact point of the object, that is, the contact position, using the force and torque information applied by the object And includes a sensor unit 110, a contact determination unit 120, a measurement unit 130, and a position calculation unit 140.

상기 센서부(110)는 물체와 직접적인 접촉이 일어나는 면을 제공하는 것으로서, 제1센서부(111)와 제2센서부(113)를 포함한다.The sensor unit 110 includes a first sensor unit 111 and a second sensor unit 113 to provide a surface on which an object is directly brought into contact.

상기 제1센서부(111)는 구의 형태의 구조물이 1/4로 분할되는 형태를 가지며, 내부에는 공간이 형성된다. 또한, 제1센서부(111)의 표면은 물체와 직접적인 접촉이 발생하는 영역으로서, 구면으로 형성되는 제1센서부(111)의 표면을 제1센싱면(112)이라 정의한다.The first sensor unit 111 has a structure in which a spherical structure is divided into a quarter, and a space is formed therein. The surface of the first sensor unit 111 is a region in which direct contact with an object occurs. The surface of the first sensor unit 111 formed as a spherical surface is defined as a first sensing surface 112.

상기 제2센서부(113)는 상술한 제1센서부(111)와 연결되며, 원통형상의 구조물을 1/2로 분할한 형상을 가지며, 제1센서부(111)와 마찬가지로 내부에는 공간이 형성된다. 또한, 제2센서부(113)의 표면, 즉, 제1센싱면(112)과 연결되는 면은 물체와의 직접적인 접촉이 발생하는 영역으로서, 비구면으로 형성되고 제2센싱면(114)이라 정의한다.The second sensor unit 113 is connected to the first sensor unit 111 and has a shape in which a cylindrical structure is divided into two parts. Like the first sensor unit 111, do. The surface of the second sensor portion 113, that is, the surface connected to the first sensing surface 112, is a region where direct contact with an object occurs, and is formed as an aspheric surface and defined as a second sensing surface 114 do.

따라서, 내부에 공간이 형성되는 제1센서부(111)와 제2센서부(113)가 상호 연결되는 구조의 센서부(110)는 구면의 제1센싱면(112)과 비구면의 제2센싱면(113)이 연속적으로 연결되되, 내부에는 수용공간이 형성된다.Therefore, the sensor unit 110 having a structure in which the first sensor unit 111 and the second sensor unit 113 in which a space is formed are mutually connected is provided with the first sensing surface 112 of the spherical surface and the second sensing surface 112 of the aspheric surface, The surface 113 is continuously connected, and a receiving space is formed therein.

한편, 제1센서부(111)와 제2센서부(113)는 개별적으로 제작된 후에 서로 접합되는 구조로 마련될 수도 있고, 센서부(110)의 전체 내구성이 향상될 수 있도록 일체로서 제작될 수도 있다.The first sensor unit 111 and the second sensor unit 113 may be separately formed and then joined to each other or may be integrally formed to improve the overall durability of the sensor unit 110 It is possible.

상기 접촉판단부(120)는 제2센싱면(114) 상에 설치되어, 제2센싱면(114) 상에 물체의 접촉이 발생했는지 여부를 판단하는 것으로서 전극(121)과 유전탄성체(122)와 검출부(123)를 포함한다.The contact determination unit 120 is provided on the second sensing surface 114 to determine whether or not an object has contacted on the second sensing surface 114. The contact determination unit 120 determines the contact between the electrode 121 and the dielectric elastomer 122, And a detection unit 123.

상기 전극(121)은 다수개의 스트라이프의 형태로 상호 이격되도록 배치되며, 이격되는 공간에는 후술하는 유전탄성체(122)가 설치된다.The electrodes 121 are spaced apart from each other in the form of a plurality of stripes, and a dielectric elastomer 122, which will be described later, is provided in the spaced apart spaces.

상기 유전탄성체(122)는 유전율을 가지는 탄성체로서, 상술한 전극의 사이에 배치된다. 또한, 본 실시예에서 이용되는 유전탄성체(122) 유연하며(flexible), 소정의 유전율을 가지되, 물체와 접촉시 슬립을 방지하기 위하여 큰 마찰계수를 갖는 소재로 마련되는 것이 바람직하다.The dielectric elastic body 122 is an elastic body having a dielectric constant, and is disposed between the above-described electrodes. Also, it is preferable that the dielectric elastomer 122 used in the present embodiment is flexible, has a predetermined permittivity, and is made of a material having a large coefficient of friction in order to prevent slip upon contact with an object.

한편, 복수개의 전극(121) 및 유전탄성체(122) 구조는 제2센싱면(114)의 전면(全面)에 배치되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The structures of the plurality of electrodes 121 and the dielectric elastomer 122 are preferably disposed on the entire surface of the second sensing surface 114, but the present invention is not limited thereto.

상기 검출부(123)는 전극(121)과 이들의 사이에 배치되는 유전탄성체(122)로부터의 캐패시턴스(capacitance)값 변화를 검출하여, 제2센싱면(114)과 물체간의 접촉이 발생하였는지를 판단한다.The detection unit 123 detects a change in capacitance value from the electrode 121 and the dielectric elastomer 122 disposed therebetween to determine whether contact between the second sensing surface 114 and the object has occurred .

한편, 본 실시예에서 상술한 접촉판단부(120)는 제2센싱면(114)에 배치되는 것이라 설명하였으나, 본 접촉판단부(120)에서는 물체가 센서부(110)에 접촉한 경우에 제1센싱면(112) 또는 제2센싱면(114) 중 어디에 접촉하였는지를 판단하면 족한 것이므로, 제1센싱면(112)이 아닌 제2센싱면(114) 상에 설치될 수도 있다.In the present embodiment, the contact determination unit 120 is disposed on the second sensing surface 114. However, when the contact determination unit 120 contacts the sensor unit 110, 1 sensing surface 112 or the second sensing surface 114. The sensing surface 112 may be disposed on the second sensing surface 114 instead of the first sensing surface 112. [

상기 측정부(130)는 센서부(110)에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하기 위한 것으로서, 센싱프레임(131)과 스트레인 게이지(132)를 포함한다.The measurement unit 130 measures a force or a torque applied to the sensor unit 110 and includes a sensing frame 131 and a strain gauge 132.

상기 센싱프레임(131)은 센서부(110)에 형성되는 수용공간에 수용되며, 센서부(110)의 내벽면과 연결됨으로써 센서부(110)에 가해지는 접촉력에 의하여 물리적인 변형을 발생시키는 부재이다.The sensing frame 131 is accommodated in a receiving space formed in the sensor unit 110 and is connected to the inner wall surface of the sensor unit 110 so that the sensing frame 131 is physically deformed due to the contact force applied to the sensor unit 110. [ to be.

상기 스트레인 게이지(132)는 센싱프레임(131)과 연결되어, 센싱프레임(131)의 변형량을 측정하여, 센서부(110)에 가해진 힘 또는 토크를 측정한다.The strain gage 132 is connected to the sensing frame 131 to measure the amount of deformation of the sensing frame 131 and measure the force or torque applied to the sensor unit 110.

상기 위치산출부(140)는 측정부(130)에서 측정되는 힘, 토크 정보 만을 이용하여 접촉 가해지는 위치, 즉, 접촉점을 산출하기 위한 것으로서, 제1판단모듈(141)과 제2판단모듈(142)을 포함한다.The position calculating unit 140 is used to calculate a contact point, i.e., a contact point, by using only the force and torque information measured by the measuring unit 130. The position calculating unit 140 includes a first determining module 141 and a second determining module 142).

상기 제1판단모듈(141)은 센서부(110) 전체의 표면의 형상이 구면인 것으로 가정하여 센서부(110)에 가해지는 접촉력의 위치를 산출하는 모듈이다.The first determination module 141 is a module for calculating the position of the contact force applied to the sensor unit 110 on the assumption that the shape of the entire surface of the sensor unit 110 is spherical.

상기 제2판단모듈(142)은 센서부(110) 전체의 표면의 형상이 비구면인 것으로 가정하여 센서부(110)에 가해지는 접촉력의 위치를 산출하는 모듈이다.The second determination module 142 is a module for calculating the position of the contact force applied to the sensor unit 110 on the assumption that the shape of the entire surface of the sensor unit 110 is aspherical.

즉, 본 위치산출부(140)는 접촉력이 구면인 제1센싱면(112) 또는 비구면인 제2센싱면(114) 중 어느 면에 가해지는지에 대한 정보를 접촉판단부(120)를 통하여 확보한 후에, 접촉이 제1센싱면(112)에 가해지는 것이라고 판단되는 경우에는 센서부의 전체의 형상을 구 인것으로 가정하여 제1판단모듈(141)을 통하여 접촉점의 위치를 산출하고, 접촉이 제2센싱면(114)에 가해지는 것이라고 판단되는 경우에는 제2판단모듈(142)을 통하여 센서부(110) 전체의 형상을 원통 형태인 것으로 가정하여 접촉점의 위치를 산출한다.That is, the main position calculating unit 140 determines whether the contact force is applied to the first sensing surface 112, which is a spherical surface, or the second sensing surface 114, which is an aspheric surface, through the contact determination unit 120 If it is determined that the contact is applied to the first sensing surface 112, the position of the contact point is calculated through the first determination module 141 on the assumption that the entire shape of the sensor portion is spherical, 2 sensing surface 114, the position of the contact point is calculated on the assumption that the shape of the entire sensor portion 110 is a cylindrical shape through the second determination module 142.

이러한 접촉점의 위치를 산출하는 일례로서, Intrinsic contact sensing for soft fingers 이라는 제목의 논문(Robotic and Automation, 1990 IEEE Internationa Conference)에서는 하기의 [수학식 1] 내지 [수학식 3]과 같은 산출방법을 제안하였다.In a paper titled Intrinsic contact sensing for soft fingers (Robotic and Automation, 1990 IEEE Internationa Conference) as an example of calculating the position of such a contact point, a calculation method as shown in the following [Equation 1] to [Equation 3] Respectively.

Figure 112013037164571-pat00001
Figure 112013037164571-pat00001

(단, c는 접촉점의 위치를 나타내는 매트릭스, f는 측정부로부터 측정되는 힘 벡터, m은 측정부로부터 측정되는 모멘트 벡터, A는 센서부의 형상을 나타내는 매트릭스, D는 det(A)이고, R은 센서부의 크기에 따라 결정되는 스케일 팩터를 의미한다.)(Where c is a matrix representing the position of the contact point, f is a force vector measured from the measurement unit, m is a moment vector measured from the measurement unit, A is a matrix indicating the shape of the sensor unit, D is det Means a scale factor determined depending on the size of the sensor unit.)

또한, 상술한 [수학식 1]에서의 K 값과 Γ 값은 하기의 [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.Further, the K value and the Γ value in the above-described expression (1) can be expressed by the following equations (2) and (3).

Figure 112013037164571-pat00002
Figure 112013037164571-pat00002

Figure 112013037164571-pat00003
Figure 112013037164571-pat00003

지금부터는 상술한 접촉정보 측정센서의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the first embodiment of the contact information measuring sensor will be described.

도 4는 도 1의 접촉정보 측정센서의 동작을 설명하기 위한 것이다.Fig. 4 is a view for explaining the operation of the contact information measuring sensor of Fig.

먼저, 도 4(a)를 참고하여, 제2센싱면(114)에 소정의 접촉력이 가해지는 경우를 예를 들어 설명한다.First, referring to FIG. 4 (a), a case where a predetermined contact force is applied to the second sensing surface 114 will be described as an example.

제2센싱면(114)에 접촉력이 가해지면, 센서부(110)의 수용공간에 설치되는 센싱프레임(131)에 변형이 발생하고, 스트레인 게이지(132)는 센싱프레임(131)의 변형을 통하여, 제2센싱면(114)에 가해지는 힘 및 토크를 측정한다.When the contact force is applied to the second sensing surface 114, the sensing frame 131 installed in the receiving space of the sensor unit 110 is deformed and the strain gage 132 is deformed by the sensing frame 131 , And the force and torque applied to the second sensing surface 114 are measured.

한편, 가해지는 힘에 의하여 제2센싱면(114) 상에 마련되는 전극(121) 사이의 간격이 감소하여 전극(121) 사이의 캐패시턴스 값이 변화하게 되고, 검출부(123)는 전극(121) 사이의 캐패시턴스 값의 변화를 검출하게 된다. 이로 인하여, 접촉판단부(120)는 제2센싱면(114) 상에 접촉이 발생했음을 판단한다.The gap between the electrodes 121 provided on the second sensing surface 114 is reduced by the applied force to change the capacitance between the electrodes 121. The detection unit 123 detects the capacitance between the electrodes 121, A change in the capacitance value between the input terminal and the output terminal is detected. Accordingly, the contact determination unit 120 determines that a contact has occurred on the second sensing surface 114. [0051] FIG.

이러한 접촉판단부(120)의 정보에 의하여, 위치산출부(140)는 제2판단모듈(142)을 이용하여 접촉력이 가해지는 위치를 산출한다. 즉, 오차를 줄이기 위하여, 센서부(110)의 형상이 원통형(실린더형)인 것으로 가정하여, 원통형에 가해지는 힘과 토크 정보를 이용하여 위치정보를 산출하는데 최적화된 알고리즘을 이용하여, 가해지는 접촉력의 위치를 결정한다.According to the information of the contact determination unit 120, the position calculation unit 140 calculates the position at which the contact force is applied using the second determination module 142. [ That is, in order to reduce the error, it is assumed that the shape of the sensor unit 110 is cylindrical (cylindrical), and using the algorithm optimized for calculating the position information using the force and torque information applied to the cylindrical shape, The position of the contact force is determined.

즉, 센서부(110) 전체를 원통형인 것으로 가정하여 [수학식 1]에서 점촉점의 위치를 나타내는 행렬 c 값을 정리하면 하기의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.That is, assuming that the entire sensor unit 110 is cylindrical, the value of the matrix c indicating the position of the punctual point in Equation (1) can be summarized as Equation (4) below.

Figure 112013037164571-pat00004
Figure 112013037164571-pat00004

다음으로, 도 4(b)를 참조하여, 제1센싱면(112)에 소정의 접촉력이 가해지는 경우를 예를 들어 설명한다.Next, referring to Fig. 4 (b), a case where a predetermined contact force is applied to the first sensing surface 112 will be described as an example.

제1센싱면(112)에 접촉력이 가해지면, 센서부(110)의 수용공간에 설치되는 센싱프레임(131)에 변형이 발생하고, 스트레인 게이지(132)는 센싱프레임(131)의 변형을 통하여, 제2센싱면(114)에 가해지는 접촉력을 측정한다.When the contact force is applied to the first sensing surface 112, the sensing frame 131 installed in the receiving space of the sensor unit 110 is deformed and the strain gage 132 is deformed by the deformation of the sensing frame 131 , The contact force applied to the second sensing surface 114 is measured.

한편, 제1센싱면(112)에 접촉력이 가해지는 경우에는 제2센싱면(114)에 설치되는 전극(121) 간의 캐패시턴스 값에는 변화가 없으므로, 검출부(123)는 제2센싱면(114) 상에서 접촉이 이루어지지 않았음을 판단한다.When the contact force is applied to the first sensing surface 112, the capacitance between the electrodes 121 provided on the second sensing surface 114 does not change, It is judged that the contact has not been made.

따라서, 이러한 접촉판단부(120)로부터 검출되는 접촉 정보에 의하여, 위치산출부(140)는 제1판단모듈(141)을 이용하여 접촉력이 가해지는 위치를 산출한다. 즉, 오차를 줄이기 위하여, 센서부(110)의 형상이 구형인 것으로 가정하여, 구형에 가해지는 힘과 토크 정보를 이용하여 위치정보를 산출하는데 최적화된 알고리즘을 이용하여, 가해지는 접촉력의 위치를 결정한다.Therefore, the position calculating unit 140 calculates the position at which the contact force is applied by using the first determination module 141, based on the contact information detected by the contact determination unit 120. [ That is, in order to reduce the error, it is assumed that the shape of the sensor unit 110 is spherical, and the position of the applied contact force is calculated by using an algorithm optimized for calculating the position information using the force and torque information applied to the spherical shape .

즉, 센서부(110) 전체를 구형인 것으로 가정하여 [수학식 1]에서 점촉점의 위치를 나타내는 행렬 c 값을 정리하면 하기의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.That is, assuming that the entire sensor unit 110 is spherical, the matrix c value indicating the position of the punctual point in Equation (1) can be summarized as Equation (5) below.

Figure 112013037164571-pat00005
Figure 112013037164571-pat00005

따라서, 본 실시예에 의하면, 접촉되는 대략적인 위치의 표면 형상에 따라 적용되는 접촉점 산출 알고리즘을 달리 적용하여, 산출되는 접촉점 위치의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
Therefore, according to the present embodiment, the reliability of the calculated contact point position can be improved by applying the contact point calculation algorithm applied in accordance with the surface shape of the approximate position to be contacted.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서에 대하여 상세하게 설명한다.Next, a contact information measurement sensor according to a second embodiment of the present invention will be described in detail.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이다.5 is a schematic perspective view of a contact information measurement sensor according to a second embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서(200)는 물체에 의하여 가해지는 힘 및 토크 정보를 이용하여, 물체의 접촉위치를 정밀하게 측정할 수 있는 센서에 관한 것으로서, 센서부(110)와 접촉판단부(220)와 측정부(130)와 위치산출부(140)를 포함한다.5, the contact information measurement sensor 200 according to the second embodiment of the present invention includes a sensor (not shown) that can precisely measure the contact position of an object, using force and torque information applied by the object, And includes a sensor unit 110, a contact determination unit 220, a measurement unit 130, and a position calculation unit 140.

상기 센서부(110)와 상기 측정부(130)와 상기 위치산출부(140)는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일한 것이므로 중복설명은 생략한다.Since the sensor unit 110, the measurement unit 130, and the position calculation unit 140 are the same as those described in the first embodiment, redundant description will be omitted.

상기 접촉판단부(220)는 제2센싱(114)면 상에 설치되어, 제2센싱면(114) 상에 물체의 접촉이 발생했는지 여부를 판단하는 것으로서 전극(221)과 검출부(222)를 포함한다.The contact determination unit 220 is disposed on the second sensing surface 114 to determine whether or not an object has contacted the second sensing surface 114. The contact determination unit 220 determines whether the contact of the object has occurred, .

상기 전극(221)은 전기적 전도성을 갖는 소재로 제2센싱면(114) 상에 설치되며, 전면(全面)에 배치되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrode 221 is electrically conductive and is disposed on the second sensing surface 114 and is disposed on the entire surface, but is not limited thereto.

상기 검출부(222)는 전극(221)의 저항값 변화를 검출하여, 제2센싱면(114)과 물체간의 접촉이 발생하였는지를 판단한다.The detection unit 222 detects a change in resistance value of the electrode 221 and determines whether a contact between the second sensing surface 114 and an object has occurred.

따라서, 본 실시예에서는 제1실시예와는 달리, 전극(221)의 저항값 변화를 측정하여, 제2센싱면(114)에 접촉력이 가해졌는지 여부를 판단한다.
Therefore, in this embodiment, unlike the first embodiment, the resistance value change of the electrode 221 is measured to determine whether or not the contact force is applied to the second sensing surface 114.

한편, 상술한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에서는 접촉점의 위치를 산출하는 방법으로서 [논문]에서 개재한 방법으로 설명하였으나, 측정되는 접촉력 및 토크를 이용하여 접촉점의 위치를 산출하는 방법이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
In the first and second embodiments of the present invention described above, the method of calculating the position of the contact point has been described as the method disclosed in [the paper], but the position of the contact point is calculated using the contact force and the torque to be measured The method is not limited thereto.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be embodied in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.

110 : 센서부 120 : 접촉판단부
130 : 측정부 140 : 위치산출부
110: sensor unit 120: contact determination unit
130: Measuring unit 140: Position calculating unit

Claims (7)

표면이 구면인 제1센싱면과 비구면인 제2센싱면으로 구분되는 센서부;
접촉되는 물체에 의하여 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 측정부;
상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되어, 물체의 접촉여부를 판단하는 접촉판단부; 및
상기 측정부 및 접촉판단부에서 측정되는 정보를 이용하여 물체가 상기 센서부에 접촉하는 위치를 산출하는 위치산출부;
를 포함하여 이루어지며,
상기 센서부는 내부에 수용공간이 형성되고, 상기 측정부는 상기 수용공간에 설치되어 상기 센서부의 내면과 연결되는 센싱프레임; 상기 센싱프레임에 연결되어 상기 센싱프레임의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지;를 포함하며, 상기 위치산출부는 상기 접촉판단부로부터 물체의 접촉정보를 제공받는데 있어서, 물체가 상기 제1센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하고, 물체가 상기 제2센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 물체의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
A sensor unit having a first sensing surface whose surface is spherical and a second sensing surface which is an aspheric surface;
A measuring unit for measuring a force or a torque applied to the sensor unit by an object to be contacted;
A contact determination unit provided at any one of the first sensing surface and the second sensing surface to determine whether an object is in contact with the object; And
A position calculating unit for calculating a position at which an object contacts the sensor unit using the information measured by the measuring unit and the contact determining unit;
And,
Wherein the sensor unit has a receiving space therein, the measuring unit includes a sensing frame installed in the receiving space and connected to the inner surface of the sensor unit, And a strain gauge connected to the sensing frame to measure a deformation amount of the sensing frame, wherein the position calculating unit is provided with contact information of an object from the contact determining unit, wherein when the object is in contact with the first sensing surface And the position of the object is calculated on the assumption that the surface of the sensor unit is spherical and the surface of the sensor unit is aspherical when the object is in contact with the second sensing surface. sensor.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 위치산출부는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제1판단모듈; 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제2판단모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
The method according to claim 1,
The position calculating unit may include a first determining module for determining a position of an object contacting the sensor unit on the assumption that the surface of the sensor unit is a spherical surface; And a second determination module for determining a position of an object contacting the sensor unit, assuming that the surface of the sensor unit is an aspherical surface.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 상호 이격되게 설치되는 복수개의 전극; 이웃하는 전극 사이에 마련되는 유전탄성체; 상기 전극 사이의 캐패시턴스(capacitance) 값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
The method according to claim 1 or 4,
The contact determination unit may include a plurality of electrodes spaced apart from each other on either the first sensing surface or the second sensing surface; A dielectric elastomer provided between adjacent electrodes; And a detector for measuring a change in a capacitance value between the electrodes to determine whether or not an object is in contact with the contact information sensor.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되는 전극; 상기 전극의 저항값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
The method according to claim 1 or 4,
Wherein the contact determination unit comprises: an electrode disposed on one of the first sensing surface and the second sensing surface; And a detector for measuring a change in a resistance value of the electrode to determine whether or not an object is in contact with the contact.
제1항 또는 제4항의 접촉정보 측정센서를 이용하며,
접촉하는 물체로부터 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 단계;
물체가 접촉하는 상기 센서부 표면의 형상에 따라, 상기 센서부를 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여, 상기 물체의 접촉점을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정방법.
A contact information measuring method using the contact information measuring sensor of claim 1 or 4,
Measuring a force or a torque applied to the sensor unit from an object to be contacted;
And calculating a contact point of the object on the assumption that the sensor unit is either spherical or aspherical depending on the shape of the surface of the sensor unit in contact with the object.
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